反向散射通信中的最优标签选择方法

技术领域

本发明涉及内容属于无线通信领域,具体涉及一种反向散射通信中的最优标 签选择方法。

技术背景

传统的无线通信系统采用电池或者固定电源供电，其生存性、健壮性受到一 定的限制，特别是在传感器网络或者物联网等需要布设众多无线节点的通信场景 中。此类通信中，受到无线节点生存环境(高温、有毒气体)等的制约，对数量 众多的节点人工更换电池不仅耗时耗力，在有毒、辐射等对人体有害的环境，更 换电池更是不可能。因此，作为一种低功耗通信技术，反向散射通信技术受到了 人们的重视。反向散射通信的核心思想是通过调制并反射周围环境中的射频信号 实现低速率的信息传输，由于省去了振荡器、模数/数模转换器等高耗能元器件， 反向散射通信设备具有极低的功耗(微瓦级别)，非常适合物联网中的大规模应 用。

目前，关于反向散射通信硬件研制的文章较多，针对此类系统的通信性能分 析的文章相对较少。在具有专门射频源的反向散射通信系统中，如果存在多个标 签(tag)，如何在每次传输时选择作为反向散射设备的最优的tag反射自身信息 给目的节点，是一个非常重要的问题。现有技术中，提出了一种tag选择机制， 该机制采用了固定的反射系数，且假定每个tag采集的能量都能满足自身电路损 耗。在上述假设的基础上，现有技术为在每次传输中选择能够最大化目的节点遍 历容量的tag作为发送节点。

作为调制并反射射频信号的具有反向散射功能的无线通信设备，也具有一定 的能耗。反向散射通信中，无线设备通常通过调节反射系数将入射射频信号分为 两部分，一部分用于无线能量采集、从而满足自身电路能耗；然后调制并反射处 剩余部分的射频信号。作为反向散射设备的tag，只有采集的能量满足自身能耗 的前提下才具备反射射频信号的能力。现有技术中采用的固定的反射系数，并不 能保证上述工作条件。此外，固定的反射系数并不是最优的，并不能保证将尽可 能多的射频信号反射出去从而提高接收端的信噪比。

发明内容

本发明在具有专门射频信号源的多标签反向散射通信系统中，首先提出了一 种最优动态反射系数设计方法，最优的动态反射系数能够保证在刚好满足标签自 身能耗的前提下将尽可能多的射频信号反射出去；其次，在满足自身能耗的标签 中，选择能够最大化接收端的信噪比、从而最小化接收端的中断概率的标签作为 每次传输时的反射节点，从而最优化系统的中断概率性能。

本发明的目的是提出一种反向散射通信系统中的最优标签选择方法，所提出 的方法在满足标签自身功耗的前提下可反射出最大的射频信号，从而最大化目的 节点处的接收信噪比，从而最小化系统的中断概率。

本发明技术方案为：

专用射频信号源始终以功率

具体来讲，本发明的实施包括以下步骤：

1、在每个传输时隙中，专用信号源S均以功率P

2、为了拟合实际电路的输出特性，采用非线性能量采集器，此时，T

3、当采集到的能量正好满足

(1)中，

上式中：|h

4、由最佳反射系数的表达式(1)可知，如果

5、在独立非同分布的信道假设条件下，选择最优

其中，每个

上式中，

本发明相对于现有技术具有如下的优点以及效果：

1、不同于现有技术中使用的线性能量采集模型，本发明采用了能够反映电 路实际输出特性的非线性模型来刻画能量采集电路的输出功率，且推导了能够最 大化反射信号功率的动态反射系数；

2、在所有具备反射能力标签中，系统选择能够最大化目的节点处信噪比的 标签在当前时隙中发送信息，从而最小化了系统的中断概率。

3、现有的工作大多数假定信道服从独立同分布的瑞利衰落。实际上，由于 每个标签的位置都是随机移动的，因此，独立非同分布的假设更为符合实际信道 特性。本发明中所建议的反向散射通信系统工作在独立非同分布的瑞利信道之下， 相比于独立同分布信道，可以更为精确地刻画系统性能。

附图说明

图1是本发明公开的标签选择的反向散射通信系统模型；

图2是本发明公开的动态反射系数示意图；

图3是本发明公开的独立非同分布信道与独立同分布信道中断概率的性能比 较图；

图4是本发明公开的最优动态反射系数与现有的采用固定反射系数系统的性 能比较图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有实施 例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开的基于标签选择的反向散射通信系统模型见图1，采用的动态反 射系数见图2，中断概率与采用独立同分布信道的系统的性能对比见图3，中断 概率与采用固定反射系数的系统的性能对比见图4。

本实施例中，具体参数设置如下：

本发明中的反向散射系统由一个发射连续波(CW,Continuous Wave)的专用 信号源S、N个标签T

本实施例应用本发明所述的反向散射通信中的最优标签选择方法，具体包括 以下顺序的步骤：

1、在每个传输时隙中，专用信号源S均以功率P

2、为了拟合实际电路的输出特性，采用非线性能量采集器，此时，T

3、当采集到的能量正好满足

证明：利用

此时，

上式中：|h

4、由最佳反射系数的表达式(1)可知，如果

5、在独立非同分布的信道假设条件下，选择最优

其中，每个

上式中，

为表示简洁及方便推导，(11)中用变量X、Y分别替换了|h

因此，采用所提出的标签选择方法，系统的最优(最小)中断概率可以表示 如下：

进一步，用γ

其中，

更进一步，对

利用上述分析结果，系统的分集阶数可推导如下：

即：系统的分集阶数等于系统内标签的个数。

6、如图3所示，当N等于3、4、5时，所得分析结果与蒙特卡洛仿真结果 完全重合，验证了理论分析结果的正确性。当信道实际服从独立不同分布、而用 独立同分布建模时，独立同分布与实际系统性能将会产生偏差。图3中画出了N＝5 时，独立同分布的性能曲线，可见明显的性能偏差。

7、如图4所示，与随机选择方案及现有的固定反射系数方案相比，所提议 的方案具有最好的性能。随机选择方案中，系统在满足自身能耗的标签中任意选 择一个标签发送信息；固定反射系数方案中，首先找出最优的标签，然后按照本 发明的非线性能量采集模型考察其是否满足标签的自身能耗，如果不满足，系统 中断。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本 发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员 来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分 技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。